Возбуждение синхронных машин

В процессе работы нагруженного синхронного генератора в нем одновременно действуют МДС возбуждения F_в0и статора (якоря) F₁, при этом МДС статора (якоря) воз­действует на МДС возбуждения, усиливая или ослабляя поле воз­буждения или же искажая его форму. Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакци­ей якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, так как изменение магнитного поля в маши­не сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке стато­ра, а следовательно, изменением и ряда других величин, связан­ных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от значения и характера нагрузки.

Синхронные генераторы, как правило, работают на смешан­ную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу син­хронной машины рассмотрим случаи работы гене­ратора при нагрузках предельного характера, а именно: активной, индуктивной и емкостной. Воспользуемся для этого векторными диаграммами МДС. При построении этих диаграмм следует иметь в виду, что вектор ЭДС ₀,индуцируемой магнитным потоком возбуждения в обмотке статора, отстает по фазе от вектора этого потока (а следовательно, и вектора МДС _в0) на 90°. Что же каса­ется вектора тока в обмотке статора I₁, то он может занимать по отношению к вектору ₀ различные положения, определяемые углом ψ₁ в зависимости от вида нагрузки.

Активная нагрузка (ψ₁ = 0). На рис. 84, а представлены статор и ротор двухполюсного генератора. На статоре показана часть фазной обмотки. Ротор явнополюсный, вращается против движения часовой стрелки. В рассматриваемый момент времени ротор занимает вертикальное положение, что соответствует мак­симуму ЭДС ₀ в фазной обмотке. Так как ток при активной на­грузке совпадает по фазе с ЭДС, то указанное положение ро­тора соответствует также и максимуму тока. Изобразив линии магнитной индукции поля возбуждения (ротора) и линии магнит­ной индукции поля обмотки статора, видим, что МДС статора ₁ направлена перпендикулярно МДС возбуждения _b0 . Этот вывод также подтверждается векторной диаграммой, построенной для этого же случая. Порядок построения этой диаграммы следующий: в соответствии с пространственным положением ротора генерато­ра проводим вектор МДС возбуждения _b0;под углом 90° к этому вектору в сторону отставания проводим вектор ЭДС ₀, наведен­ной магнитным полем возбуждения в обмотке статора; при подключении чисто активной нагрузки ток в обмотке статора ₁ совпадает по фазе с ЭДС ₀, а поэтому вектор МДС ₁, создаваемый этим током, сдвинут в пространстве относительно вектора _b0 на 90°.

Рис. 84. Реакция якоря синхронного генератора при активной (а),

индуктивной (б) и емкостной (в) нагрузках

Такое воздействие МДС статора (якоря) ₁на МДС возбуж­дения _b0 вызовет искажения результирующего поля машины: магнитное поле машины ослабляется под набегающим краем по­люса и усиливается под сбегающим краем полюса (рис. 85). Вследствие насыщения магнитной цепи результирующее магнит­ное поле машины несколько ослабляется. Объясняется это тем, что размагничивание набегающих краев полюсных наконечников и находящихся над ними участков зубцового слоя статора проис­ходит беспрепятственно, а подмагничивание сбегающих краев по­люсных наконечников и находящихся над ними участков зубцово­го слоя статора ограничивается магнитным насыщением этих элементов магнитной цепи. В итоге результирующий магнитный поток машины ослабляется, т. е. магнитная система несколько размагничивается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины Е₁.

Индуктивная нагрузка (ψ₁ = 90°). При чисто индуктивной нагрузке генератора ток статора ₁, отстает по фазе от ЭДС ₀на 90°. Поэтому он достигает максимального значения лишь после поворота ротора вперед на 90° относительно его положения, соот­ветствующего максимуму ЭДС ₀(см. рис. 84, б). При этом МДС ₁действует вдоль оси полюсов ротора встречно МДС воз­буждения _b0. В этом мы также убеждаемся, построив векторную диаграмму.

Такое действие МДС статора F₁ослабляет поле машины. Сле­довательно, реакция якоря в синхронном генераторе при чисто индуктивной нагрузке оказывает продольно-размагничивающее действие.

В отличие от реакции якоря при активной нагрузке в рассмат­риваемом случае магнитное поле не искажается.

Емкостная нагрузка (ψ = –90°). Так как ток I₁, при емкостной нагрузке опережает по фазе ЭДС ₀на 90°, то своего наибольшего значения он дости­гает раньше, чем ЭДС, т. е. когда ротор займет положение, показан­ное на рис. 84, в. Магнитодви­жущая сила статора ₁ так же, как и в предыдущем случае, действует по оси полюсов, но теперь уже согласно с МДС возбуждения _b0. При этом происходит усиление магнитного поля возбуждения. Таким образом, при чисто емкостной нагрузке синхронного гене­ратора реакция якоря оказывает продольно-намагничивающее действие. Магнитное поле при этом не искажается.

Рис. 85. Магнитное поле син­хронного генератора при актив­ной нагрузке

Смешанная нагрузка.При смешанной нагрузке син­хронного генератора ток стато­ра I₁, сдвинут по фазе относи­тельно ЭДС ₀ на угол ψ₁,значения которого находятся в пределах 0 < ψ₁ < ±90°. Для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря при смешанной нагрузке воспользуемся диа­граммами МДС, представлен­ными на рис. 86.

Рис. 86. Реакция якоря при сме­шанной нагрузке

При активно-индуктивной нагрузке (рис. 86, а)вектор ₁ от­стает от вектора ₀на угол 0 < ψ₁ < 90° . Разложим вектор F₁на две составляющие: продольную составляющую МДС статора и поперечную составляющую МДС статора . Такое же разложение МДС якоря F₁на составляющие можно сделать в случае активно-емкостной нагрузки (рис. 86, б). Поперечная составляющая МДС статора F_1q, представ­ляющая собой МДС реакции якоря по поперечной оси, пропор­циональна активной составляющей тока нагрузки , т. е.

, (20.13)

а продольная составляющая МДС статора (якоря) F_1dпредставляю­щая собой МДС реакции якоря по продольной оси, пропорциональна реактивной составляющей тока нагрузки , т. е.

. (20.14)

При этом если реактивная составляющая тока нагрузки отста­ет по фазе от ЭДС ₀(нагрузка активно-индуктивная), то МДС F_1dразмагничивает генератор, если же реактивная составляющая тока опережает по фазе ЭДС ₀(нагрузка активно-емкостная), то МДС F_1dподмагничивает генератор.

Направление вектора относительно вектора _b0определяет­ся характером реакции якоря, который при токе нагрузки İ₁, от­стающем по фазе от ЭДС ₀, является размагничивающим, а при токе İ₁, опережающем по фазе ЭДС ₀, — подмагничивающим.

Напряжение на выводах генератора, работающего с нагрузкой, от­личается от напряжения этого генератора в режиме х.х. Это объясняет­ся влиянием ряда причин: реакцией якоря, магнитным потоком рассея­ния, падением напряжения в активном сопротивлении обмотки статора.

Как было установлено, при работе нагруженной синхронной машины в ней возникает несколько МДС, которые, взаимодейст­вуя, создают результирующий магнитный поток. Однако при учете факторов, влияющих на напряжение синхронного генератора, ус­ловно исходят из предположения независимого действия всех МДС генератора, т. е. предполагается, что каждая из МДС создает собственный магнитный поток.

Влияние магнитодвижущих сил на работу явнополюсного синхронного генератора.

1. МДС обмотки возбуждения F_в0создает магнитный поток возбуждения Ф₀, который, сцепляясь с обмоткой статора, наводит в ней основную ЭДС генератора E₀.

2. МДС реакции якоря по продольной оси F_1dсоздает магнит­ный поток Ф_1d, который наводит в обмотке статора ЭДС реакции якоря E_1d, значение которой пропорционально индук­тивному сопротивлению реакции якоря по продольной оси x_ad. Это сопротивление характеризует уровень влияния реак­ции якоря по продольной оси на работу синхронного генератора. Так, при насыщенной магнитной системе машины магнитный по­ток реакции якоря Ф_1dменьше, чем при ненасыщенной магнитной системе. Объясняется это тем, что поток Ф_1d почти полностью проходит по стальным участкам магнитопровода, преодолевая не­большой воздушный зазор,а поэтому при маг­нитном насыщении сопротивление этому потоку заметно возрас­тает. При этом индуктивное сопротивление x_1dуменьшается.

3. МДС реакции якоря по поперечной оси F_1qсоздает магнит­ный поток Ф_1q, который наводит в обмотке статора ЭДС Е_1q, значение которой пропорционально индуктивному сопро­тивлению реакции якоря по поперечной оси x_aq. Со­противление x_aqне зависит от магнитного насыщения машины, так как при явнополюсном роторе поток Ф_1qпроходит в основном по воздуху межполюсного пространства.

4. Магнитный поток рассеяния обмотки статора Ф_σ1 наводит в обмотке статора ЭДС рассеяния Е _σ1,значение ко­торой пропорционально индуктивному сопротивлению рассеяния фазы обмотки статора x₁:

. (20.26)

5. Ток в обмотке статора I₁создает активное падение напря­жения в активном сопротивлении фазы обмотки статора r₁:

. (20.27)

Геометрическая сумма всех перечисленных ЭДС, наведенных в обмотке статора, определяет напряжение на выходе синхронного генератора:

. (20.28)

Здесь – геометрическая сумма всех ЭДС, наведенных в об­мотке статора результирующим магнитным полем машины, обра­зованным совместным действием всех МДС (F_b0, F_1d, F_1q)и пото­ком рассеяния статора Ф_σ1.

Активное сопротивление фазы обмотки статора r₁у синхронных машин средней и большой мощности невелико, и поэтому даже при номинальной нагрузке падение напряжения I₁r₁составляет настолько малую величину, что с некоторым допущением можно принять I₁r₁= 0. Тогда уравнение (20.28) можно записать в виде

. (20.29)

Выражения (20.28) и (20.29) представляют собой уравнения напряжений явнополюсного синхронного генератора.

В неявнополюсных синхронных генераторах реакция якоря характеризуется полной МДС статора F₁без разделения ее по осям, так как в этих машинах магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям одинаковы. Поэтому ЭДС статора в неявнополюсных машинах Е₁,равная индуктивному падению напряжения в обмотке статора, пропорциональна индуктивному сопротивлению реакции якоря х_а, т. е.

. (20.30)

Поток реакции якоря Ф₁и поток рассеяния статора Ф_σ1 созда­ются одним током I₁, поэтому индук­тивные сопротивления х_аи x₁ можно рассматривать как суммарное индуктивное сопротивление

х_с = х_а х₁,

представляющее собой синхронное сопротивление неявнополюсной машины. С учетом этого ЭДС реакции якоря Е₁и ЭДС рассея­ния Е_σ1следует рассматривать также как сумму

, (20.31)

представляющую собой синхронную ЭДС неявнополюсной машины.

С учетом изложенного уравнение напряжений неявнополюсного синхронного генератора имеет вид

(20.32)

или

. (20.33)

Воспользовавшись уравнением ЭДС (20.28), построим век­торную диаграмму явнополюсного синхронного генератора, работающего на активно-индуктивную нагрузку (ток отстает по фазе от ЭДС ). Векторную диаграмму строят на основании следующих данных: ЭДС генератора в режиме х.х. ; тока нагрузки и его угла сдвига ψ₁, относительно ЭДС ; продольного x_adи поперечного х_aqиндуктивных сопротивлений реакции якоря; ак­тивного сопротивления фазной обмотки статора r₁.

При симметричной нагрузке генератора диаграмму строят лишь для одной фазы.

Рис. 87. Векторные диаграммы явнополюсного (а и б) и неявнополюс-

ного (в и г) синхронных генераторов: а и в – при активно-инцуктивной нагрузке;

б и г – при активно-емкостной нагрузке

Рассмотрим порядок построения векторной диаграммы (рис. 87, а). В произвольном направлении откладываем вектор ЭДС и под утлом ψ₁ к нему – вектор тока . Последний разло­жим на составляющие: реактивную и активную . Далее, из конца вектора откладываем векторы ЭДС , ; ; .

Соединив конец вектора с точкой О,получим век­тор напряжения ,значение которого равно геометрической сумме векторов ЭДС.

При построении векторной диаграммы генератора, работаю­щего на активно-емкостную нагрузку (ток , опережа­ет по фазе ЭДС ), вектор тока откладывают влево от вектора ЭДС (рис. 87, б), а направление вектора устанавливают со­гласно с направлением вектора ЭДС ,так как при емкостном ха­рактере нагрузки реакция якоря имеет подмагничивающий характер. В остальном порядок построения диаграммы остается прежним.

Векторную диаграмму синхронного неявнополюсного генератора строят на основании уравнения (20.32), при этом век­тор откладывают под углом ψ₁ к вектору тока (рис. 87, в).

Следует отметить, что построенные векторные диаграммы не учитывают насыщения магнитной цепи, поэтому отражают лишь качественную сторону явлений. Но тем не менее эти диаграммы дают возможность сделать следующие выводы: основным факто­ром, влияющим на изменение напряжения нагруженного генера­тора, является продольная составляющая магнитного потока яко­ря, создающая ЭДС ;при работе генератора на активно-индуктивную нагрузку, т. е. с током , отстающим по фазе от ЭДС , напряжение на выводах обмотки статора с увеличе­нием нагрузки уменьшается, что объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря. При работе генератора на активно-емкостную нагрузку (с током опережающим по фазе ЭДС ) напряжение с увеличением нагрузки повышается, что объясня­ется подмагничивающим влиянием реакции якоря (рис. 87, г).

Свойства синхронного генератора определяются характери­стиками холостого хода, короткого замыкания, внешними и регу­лировочными.

Характеристика холостого хода синхронного генератора.Представляет собой график зависимости напряжения на выходе генератора в режиме х.х. U₁ = E₀от тока возбуждения I_в0 при n₁ = const. Схема включения синхронного генератора для снятия ха­рактеристики х.х. приведена на рис. 88, а. Если характеристики х.х. различных синхронных генераторов изобразить в относительных единицах ¦(I_в*), то эти характеристики мало отличаются друг от друга и будут очень схожи с нормальной характеристикой х.х. (рис. 88, б), которую используют при расчетах синхронных машин:

Е_*……………. 0,58 1,0 1,21 1,33 1,40 1,46 1,51

I_в*…………….. 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Здесь E_* = E₀/U_1ном – относительная ЭДС фазы обмотки ста­тора; I = I_в0/I_в0ном – относительный ток возбуждения; I_в0ном – ток возбуждения в режиме х.х., соответствующий ЭДС х.х. Е₀ = U_1ном.

Характеристика короткого замыкания.Характеристику трехфазного к.з. получают следующим образом: выводы обмотки статора замыкают накоротко (рис. 89, а) и при вращении ротора с частотой вращения n₁постепенно увеличивают ток возбуждения до значения, при котором ток к.з. превышает номинальный рабо­чий ток статорной обмотки не более чем на 25% (I_1к = 1,25×I_1ном). Так как в этом случае ЭДС обмотки статора имеет значение, в не­сколько раз меньшее, чем в рабочем режиме генератора, и, следо­вательно, основной магнитный поток весьма мал, то магнитная цепь машины оказывается ненасыщенной. По этой причине ха­рактеристика к.з. представляет собой прямую линию (рис. 89, б). Активное сопротивление обмотки статора невелико по сравне­нию с ее индуктивным сопротивлением, поэтому, принимая r₁ » 0, можно считать, что при опыте к.з. нагрузка синхронного генерато­ра (его собственные обмотки) является чисто индуктивной. Из этого следует, что при опыте к.з. реакция якоря синхронного гене­ратора имеет продольно-размагничивающий характер.

Рис. 88. Опыт холостого хода синхронного генератора

Векторная диаграм­ма, построенная для ге­нератора при опыте трехфазного к.з., пред­ставлена на рис. 89, в. Из диаграммы вид­но, что ЭДС , инду­цируемая в обмотке ста­тора, полностью урав­новешивается ЭДС продольной реакции якоря и ЭДС рассеяния :

.

Рис. 89. Опыт короткого замыкания син­хронного генератора

При этом МДС обмотки возбуждения имеет как бы две со­ставляющие: одна ком­пенсирует падение на­пряжения , а дру­гая компенсирует раз­магничивающее влия­ние реакции якоря .

Характеристики к.з. и х.х. дают возможность определить значения токов возбуждения, со­ответствующие указан­ным составляющим МДС возбуждения. С этой целью характери­стики х.х. и к.з. строят в одних осях (рис. 90), при этом на оси ор­динат отмечают относительные значения напряжения х.х. E_* = E₀/U_1номи тока к.з. I_к* = I_1к/I_1ном. На оси ординат отклады­вают отрезок ОВ, выражающий в масштабе напряжения относительное значение ЭДС рассеяния . Затем точку Всносят на характеристику х.х. (точка В’) и опускают перпендикуляр B’Dна ось абсцисс. Полученная точка Dразделила ток возбуждения I_в0ном на две части: I_вх– ток возбуждения, необходимый для компен­сации падения напряжения , и – ток возбуждения, компен­сирующий продольно-размагничивающую реакцию якоря.

Рис. 90. Определение составляющих тока к.з.

Один из важных параметров синхронной машины – отно­шение короткого замыкания (ОКЗ), которое представляет собой отношение тока возбуж­дения I_в0ном соответствующего номинальному напряжению при х.х., к току возбуждения I_{в.к.ном,}соответствующему номиналь­ному току статора при опыте к.з. (рис. 89, б):

ОКЗ = I_в0ном/ I_в.к.ном. (20.34)

Для турбогенераторов ОКЗ = 0,4 ¸ 0,7; для раторов ОКЗ = 1,0 ¸ 1,4.

ОКЗ имеет большое практическое значение при оценке свойств синхронной машины: машины с малым ОКЗ менее устой­чивы при параллельной работе, имеют значительные колебания напряжения при изменениях нагрузки, но такие маши­ны имеют меньшие габариты и, следовательно, дешевле, чем ма­шины с большим ОКЗ.

Внешняя характеристика.Представляет собой зависимость напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки: U₁ = ¦(I₁) при I_в = const; cosφ₁ = const; n₁ = n_ном = const. На рис. 91, а представлены внешние характеристики, соответствующие различным по характеру нагрузкам синхронного генератора.

При активной нагрузке (cosφ₁ = 1) уменьшение тока на­грузки I₁сопровождается ростом напряжения U₁, что объясняется уменьшением падения напряжения в обмотке статора и ослабле­нием размагничивающего действия реакции якоря по поперечной оси. При индуктивной нагрузке (cosφ₁ < 1; инд.) увеличение U₁при сбросе нагрузки более интенсивно, так как с уменьшением тока I₁ослабляется размагничивающее действие продольной со­ставляющей реакции якоря. Однако в случае емко­стной нагрузки генератора (cosφ₁ < 1; емк.) уменьшение I₁со­провождается уменьшением напряжения U₁, что объясняется ослаблением подмагничивающего действия продольной состав­ляющей реакции якоря.

Изменение напряжения синхронного генератора, вызванное сбросом номинальной нагрузки при I_в = const и n₁ = const, называется номинальным изменением (повышением) напряжения (%):

(20.35)

При емкостной нагрузке генератора сброс нагрузки вызывает уменьшение напряжения, а поэтому DU_1номотрицательно.

В процессе эксплуатации синхронного генератора напряжение U₁при колебаниях нагрузки поддерживается неизменным посредством быстродействующих автоматических регуляторов. Однако во избежа­ние повреждения изоляций обмотки DU_ном не должно превышать 50%.

Рис. 91. Внешние (а) и регулировочные (б) характеристики син­хронного генератора

Регулировочная характеристика.Она показывает, как следует изменять ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, что­бы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменно равным номинальному: I_в = ¦(I₁) при U₁ = U_1ном = const; n₁ = n_ном = const и cosφ₁ = const. На рис. 91, б представлены регулировочные харак­теристики синхронного генератора. При активной нагрузке (cosφ₁ = 1) увеличение тока нагрузки I₁сопровождается уменьшени­ем напряжения U₁,поэтому для поддержания этого напряжения неиз­менным по мере увеличения тока нагрузки I₁следует повышать ток возбуждения. Индуктивный характер нагрузки (cosφ₁ <1; инд.) вызывает более резкое понижение напряжения U₁(рис. 91, а), по­этому ток возбуждения I_в, необходимый для поддержания U₁ = U_1ном, следует повышать в большей степени. При емкостном же харак­тере нагрузки (cosφ₁ < 1; емк.) увеличение нагрузки сопровождается ростом напряжения U₁, поэтому для поддержания U₁ = U_1ном, ток воз­буждения следует уменьшать.

Контрольные вопросы

1. Из каких участков состоит магнитная цепь явно полюсной синхронной ма­шины?

2. В чем состоит явление реакции якоря?

3. Каково действие реакции якоря при активной, индуктивной и емкостной на­грузках синхронного генератора?

4. Какие ЭДС наводят в обмотке статора явнополюсного синхронного генера­тора магнитные потоки реакции якоря и каким индуктивным сопротивлени­ям эти ЭДС эквивалентны?

5. Почему характеристика к.з. синхронной машины имеет вид прямой линии?

6. Что такое ОКЗ и как влияет этот параметр на свойства синхронного генера­тора?

7. Что такое номинальное изменение напряжения при сбросе нагрузки и почему при емкостной нагрузке его величина отрицательна?

8. Определите изменение напряжения при сбросе нагрузки для примера 20.2, если генератор работал с нагрузкой, равной половине номинальной?

9. Какие виды потерь имеют место в синхронной машине?

Лекция № 16

На электрических станциях обычно устанавли­вают несколько синхронных генераторов, включае­мых параллельно для совместной работы (рис. 92). Наличие нескольких генераторов вместо одного суммарной мощности дает преимущества, объяс­няемые теми же соображениями, которые были из­ложены применительно к параллельной работе трансформаторов.

При включении синхронного генератора в сеть на параллельную работу необходимо соблюдать следующие условия: ЭДС генератора в момент подключения его к сети должна быть равна и проти­воположна по фазе напряжению сети , частота ЭДС генератора должна быть равна часто­те переменного напряжения в сети ; порядок следо­вания фаз на выводах генератора должен быть таким же, что и на зажимах сети.

Приведение генератора в состояние, удовлетво­ряющее всем указанным условиям, называют син­хронизацией. Несоблюдение любого из условий син­хронизации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, чрезмерное значение которых может явиться причиной аварии.

Включить генератор в сеть с параллельно рабо­тающими генераторами можно или способом точной синхронизации, или способом самосинхронизации

Способ точной синхронизации. Сущность это­го способа состоит в том, что, прежде чем включить генератор в сеть, его приводят в состояние, удовле­творяющее всем вышеперечисленным условиям. Момент соблюдения этих условий, т. е. момент син­хронизации, определяют прибором, называемым синхроноскопом. По конструкции синхроноскопы разделяют на стрелочные и ламповые. Рассмотрим процесс синхронизации генераторов с применением лампового синхроноскопа, который состоит из трех ламп 1, 2, 3, расположенных в вершинах равносто­роннего треугольника.

При включении ламп по схеме «на погасание» (рис. 93, а) мо­мент синхронизации соответствует одновременному погасанию всех ламп. Предположим, что звезда ЭДС генератора ; ; враща­ется с угловой частотой , превышающей угловую частоту враще­ния звезды напряжений сети ; ; . B этом случае напря­жение на лампах определяется геометрической суммой ; ; (рис. 93, б). В момент сов­падения векторов звезды ЭДС с векторами звезды напряжений эта сумма достигает наибольшего значения, при этом лам­пы горят с наибольшим накалом (напряжение на лампах равно удвоенно­му напряжению сети). В последующие моменты времени звезда ЭДС об­гоняет звезду напряжений и напряжение на лампах уменьшается.

Рис. 92. Включение синхронных генера­торов на параллельную работу:

Г₁– Г₄ – синхронные генераторы, ПД₁–ПД₄ – приводные двигатели

В момент синхрониза­ции векторы ЭДС и напряжений занимают положение, при кото­ром ; ; , т. е. , и все три лампы одновременно гаснут (рис. 93, в). При большой разности уг­ловых частот и лампы вспыхивают час­то. Изменяя частоту вращения первичного двигателя, добиваются равенства , о чем будет свидетельст­вовать погасание ламп на длительное время. В этот момент и следует замкнуть рубильник, после чего генератор окажется подключен­ным к сети.

Способ самосин­хронизации. Ротор не­возбужденного генера­тора приводят во вра­щение первичным дви­гателем до частоты вращения, отличающейся от синхронной не более чем на 2–5%, затем генератор подключают к сети. Для того чтобы избежать перенапряжений в обмотке ротора в момент подключения генератора к сети, ее замыкают на некоторое активное сопротивление. Так как в момент подключения генератора к сети его ЭДС равна нулю (генератор не возбужден), то под действием напряжения сети в обмотке статора наблюдается резкий бросок тока, превышающий номинальное значение тока генератора. Вслед за включением обмотки статора в сеть подключают обмотку возбуждения к источнику постоянного тока и синхронный генера­тор под действием электромагнитного момента, действующего на его ротор, втягивается в синхронизм, т. е. частота вращения ротора становится синхронной. При этом ток статора быстро уменьшается.

Рис. 93. Ламповый синхроноскоп

При самосинхронизации в генераторе протекают сложные электромеханические переходные процессы, вызывающие значи­тельные механические воздействия на обмотки, подшипники и муфту, соединяющую генератор с турбиной. Влияние этих воздей­ствий на надежность генератора учитывается при проектировании синхронных генераторов. Способ самосинхронизации (грубой синхронизации) обычно применяют в генераторах при их частых включениях. Этот способ прост и легко автоматизируется.

Обычно совместно на одну сеть работают несколько синхрон­ных генераторов и мощность любого из них намного меньше сум­марной мощности всех остальных генераторов. Будем считать, что синхронный генератор подключают на параллельную работу с другими генераторами, суммар­ная мощность которых настолько велика по сравнению с мощно­стью подключаемого генератора, что при любых изменениях пара­метров этого генератора напря­жение сети и ее частота ос­таются неизменными.

Рис. 94. Векторные диаграммы синхронного генератора, вклю­ченного на параллельную работу в сеть большой мощности:

а – при работе без нагрузки; б – при работе с нагрузкой

После подключения генерато­ра в сеть при соблюдении всех ус­ловий синхронизации его ЭДС равна по значению и противопо­ложна по фазе напряжению сети (рис. 94, а), поэтому ток в цепи генератора равен нулю, т. е. гене­ратор работает без нагрузки. Меха­ническая мощность приводного двигателя в этом случае полно­стью затрачивается на покрытие потерь х.х.: .

Отсутствие тока в обмотке статора синхронного генератора приводит к тому, что обмотка статора не создает вра­щающегося магнитного поля и в генераторе действует лишь магнитное поле возбуждения, вращающееся вместе с ротором с угловой частотой , но не создающее электромагнитного мо­мента.

Если же увеличить вращающий момент приводного двигателя то ротор машины, получив некоторое ускорение, сместится относительно своего первоначального положения на угол в на­правлении вращения. На такой же угол в окажется сдвинутым вектор ЭДС генератора относительно своего положения, соответствующего режиму х.х. генератора (рис. 94, б).

Рис. 95. К понятию об электро­магнитном моменте синхронного генератора

В результате в цепи статора появится результирующая ЭДС , кото­рая создаст в цепи обмотки статора генератора ток . Если пре­небречь активным сопротивлением обмотки статора и считать со­противление этой обмотки чисто индуктивным, то ток , отстает по фазе от на угол 90° (рис. 94, б) и отстает по фазе от ЭДС на угол .

Ток создает магнитное поле, вращающееся синхронно с ро­тором и создающее вместе с полем ротора результирующее маг­нитное поле синхронной машины. Ось этого результирующего поля не совпадает с продольной осью полюсов ротора : в синхронном генераторе ось полюсов ротораопережает ось результирующего поля машины на угол (рис. 95, а).

Известно, что разноименные магнитные полюсы взаимно при­тягиваются, поэтому между намагниченными полюсами ротора и неявно выраженными полюсами вращающегося поля статора воз­никают силы магнитного притяжения (рис. 95, б).

Вектор этой силы на каждом полюсе ротора, направленный под углом к оси полюса, имеет две составляющие: – нормальная со­ставляющая, направленная по оси полюсов, и – тан­генциальная составляющая, направленная перпендикулярно оси полюсов ротора. Совокупность тангенциальных составляющих , на всех полюсах ротора создает на роторе синхронного генератора электромагнитный момент, направленный встречно вращающему­ся магнитному полю:

, (21.1)

где – диаметр ротора.

Из полученного выражения следует, что электромагнитный момент синхронной машины является синусоидальной функцией угла и может быть представлен выражением

, (21.2)

где: – максимальное значение электромагнитного момента, соответствующее значению угла эл. град.

Электромагнитный момент , возникающий на роторе генерато­ра, направлен встречно вращающему моменту приводного двигателя , т. е. он является тормозящим моментом. На преодоление этого момента затрачивается часть мощности приводного двигателя, кото­рая представляет собой электромагнитную мощность

, (21.3)

где – угловая частота вращения ротора.

Таким образом, с появлением тока в обмотке статора син­хронного генератора, работающего параллельно с сетью, генера­тор получает электрическую нагрузку, а приводной двигатель (турбина, дизельный двигатель и т. п.) получает дополнительную механическую нагрузку. При этом механическая мощность при­водного двигателя расходуется не только на покрытие потерь х.х. генератора , но и частично преобразуется в электромагнит­ную мощность генератора , т. е.

. (21.4)

Следовательно, электромагнитная мощность синхронного генератора представляет собой электрическую активную мощ­ность, преобразованную из части механической мощности при­водного двигателя:

Что же касается активной мощности на выходе синхронного генератора , отдаваемой генератором в сеть, т. е.

,

то она меньше электромагнитной мощности на значение, рав­ное сумме электрических потерь в обмотке статора и добавочных потерь при нагрузке

. (21.5)

Следовательно, мощность на выходе синхронного генератора (активная нагрузка) при его параллельной работе с сетью регулируется изменением вращающего момента приводного двигателя:

,

где: – угловая синхронная скорость вращения ротора синхронной машины, рад/с.

Если все слагаемые уравнения (21.4) разделить на угловую частоту , то получим уравнение моментов

. (21.6)

Из этого уравнения следует, что вращающий момент раз­виваемый приводным двигателем на валу генератора, равен сумме противодействующих моментов: момента х.х. , обусловленного потерями х.х. , и электромагнитного момента , обусловленного нагрузкой генератора.

Момент х.х. Мо для данного генератора постоянен , поэтому нагрузка синхронного генератора возможна лишь за счет вращающего момента приводного двигателя, когда его значение превышает момент х.х., т. е. при

Электромагнитная мощность неявнополюсного синхронного генератора при его параллельной работе с сетью

, (21.7)

где – угол, на который продольная ось ротора смещена относи­тельно продольной оси результирующего поля машины (рис. 21.4).

Электромагнитная мощность явнополюсного синхрон­ного генератора

, (21.8)

где – синхронные индуктивные со­противления явнополюсной синхронной машины по продольной и поперечной осям соответственно, Ом.

Разделив выражения (21.7) и (21.8) на синхронную частоту вращения , получим выражения электромагнитных моментов:

неявнополюсной синхронной машины

; (21.9)

явнополюсной синхронной машины

, (21.10)

где – электромагнитный момент, Н·м.

Анализ выражения (21.10) показывает, что электромагнитный момент явнополюсной машины имеет две составляющие: одна из них представляет собой основную составляющую электромаг­нитного момента

, (21.11)

другая – реактивную составляющую момента

. (21.12)

Основная составляющая электромагнитного момента яв­нополюсной синхронной машины зависит не только от напряже­ния сети , но и от ЭДС , наведенной магнитным по­током вращающегося ротора Ф в обмотке статора:

. (21.13)

Это свидетельствует о том, что основная составляющая электро­магнитного момента зависит от магнитного потока ротора: . Отсюда следует, что в машине с невозбужденным рото­ром основная составляющая момента .

Реактивная составляющая электромагнитного момента не зависит от магнитного потока полюсов ротора. Для возникновения этой составляющей достаточно двух условий: во-первых, чтобы ротор машины имел явновыраженные полюсы и, во-вторых, чтобы к обмотке статора было подведено напряжение сети . Подробнее физическая сущность реактивного момента.

При увеличении нагрузки синхронного генератора, т. е. с ростом тока происходит увеличение угла , что ведет к изменению элек­тромагнитной мощности генератора и его электромагнитного момен­та. Зависи­мость результирующего электромагнитного момента или электромаг­нитной мощности от угла представленная графиком 3, называется угловой характеристикой синхронной машины.

Максимальное значение электромагнитного момента со­ответствует критическому значению угла .

Как видно из результирующей угловой характеристики (гра­фик 3), при увеличении нагрузки синхронной машины до значе­ний, соответствующих углу , синхрон­ная машина работает устойчиво. Объясняется это тем, что при рост нагрузки генерато­ра (увеличение ) со­провождается увеличе­нием электромагнитно­го момента. В этом слу­чае любой установив­шейся нагрузке соответ­ствует равенство враща­ющего момента первичного двигателя сумме противодействую­щих моментов, т. е. . В результате частота вращения ротора остается неизменной, равной синхронной частоте вращения.

Рис. 96. Угловая характеристика син­хронного генератора

При нагрузке, соответствующей углу , электромагнит­ный момент уменьшается, что ведет к нарушению равенства вращающего и противодействующих моментов. При этом избы­точная (неуравновешенная) часть вращающего момента первично­го двигателя вызывает увеличение частоты вращения ротора, что ведет к нарушению условий синхронизации (машина выходит из синхронизма).

Электромагнитный момент, соответствующий критическому значению угла , является максимальным .

Для явнополюсных синхронных машин эл. град.

Угол можно определить из формулы

. (21.14)

Здесь

. (21.15)

У неявнополюсных синхронных машин , а по­этому угловая характеристика представляет собой синусоиду и угол .

Отношение максимального электромагнитного момента к но­минальному , называется перегрузочной способностью синхронной машины или коэффициентом статической перегружаемости:

. (21.16)

Пренебрегая реактивной составляющей момента, можно записать

, (21.17)

т. е. чем меньше угол , соответствующий номинальной на­грузке синхронной машины, тем больше ее перегрузочная способ­ность. Например, у турбогенератора , что соответст­вует .

Рассмотрим работу синхронного генератора, если после подключения его к сети для параллельной работы изменить ток в его обмотке возбуждения, оставив неизменным вращающий момент приводного двигателя? Предположим, что генератор после подключения на сеть работает без нагрузки и его ЭДС уравновешивает напряжение сети . Если при этом увеличить ток в обмотке возбуждения, т. е. пере­возбудить машину, то ЭДС увеличится до значения в цепи генератора появится избыточная ЭДС (рис. 97, а), вектор которой совпадает по направлению с вектором ЭДС . Ток , вызванный ЭДС , будет отставать от нее по фазе на 90° (поскольку ). По отношению к ЭДС этот ток также будет отстающим (индуктивным). С увеличением перевоз­буждения значение реактивного (индуктивного) тока увеличится.

Если же после того, как генератор подключен к сети, умень­шить ток возбуждения, т. е. недовозбудить машину, то ЭДС уменьшится до значения и в цепи генератора опять будет действовать избыточная ЭДС . Теперь вектор этой ЭДС будет совпадать по направлению с вектором напряжения сети (рис. 97, б), и поэтому ток , вызванный этой ЭДС и отстающий от нее по фазе на 90°, будет опере­жающим (емкостным) по отношению к ЭДС генератора .

Рис. 97. Векторные диаграммы ЭДС синхрон­ного генератора,

вклю­ченного на параллельную работу

Показанное на векторных диа­граммах можно объяснить следующим. При перевозбуждении генера­тора увеличивается МДС возбуждения . Это сопровож­дается появлением в обмотке статора реактивного тока , который по отношению к ЭДС является отстающим (индуктивным). Вы­званная этим током продольно-размагничивающая реакция якоря компенсирует избыточную МДС возбуждения так, что ЭДС генератора остается неизменной. Такой же процесс происходит и при недовозбуждении генератора с той лишь разницей, что в обмотке появляется опережающий (емкостный) ток , а вызванная этим током продольно-намагничивающая реакция якоря компен­сирует недостающую МДС возбуждения.

Следует иметь в виду, что ток , отстающий по фазе от ЭДС , по отношению к напряжению сети является опережающим током и, наоборот, ток , опережаю­щий по фазе ЭДС , является отстающим по отношению к на­пряжению .

Рис 98. U – образные характери­стики синхронного генератора

Если при всех изменениях тока возбуждения вращающий момент приводного двигателя остается неизменным, то также неизменной остается активная мощность генератора:

.

Из этого выражения следует, что при активная со­ставляющая тока статора .

Таким образом, степень возбуждения синхронного генератора влияет только на реактивную составляющую тока статора. Что же касается активной составляющей тока , то она остается неизменной.

Зависимость тока статора от тока в обмотке возбуждения при неизменной активной нагрузке генератора выражается графически U – образной кривой. На рис. 98 представлены U – образные характеристики при , построенные для разных значений активной нагрузки: ; и . U – образные характеристики синхронного генератора показы­вают, что любой нагрузке генератора соответствует такое зна­чение тока возбуждения , при котором ток статора , стано­вится минимальным и равным только активной составляющей: . В этом случае генератор работает при коэф­фициенте мощности . Значения тока возбуждения, соот­ветствующие при различной нагрузке генератора, пока­заны на рис. 98 пунктирной кривой. Некоторое отклонение этой кривой вправо указывает на то, что при увеличении нагрузки ток возбуждения, соответствующий , несколько возрастает. Объясняется это тем, что при росте нагрузки необходимо некоторое увеличение тока возбуждения, компенсирующее активное па­дение напряжения.

Необходимо иметь в виду, что при постепенном уменьшении тока возбуждения наступает такое минимальное его значение, при котором магнитный поток обмотки возбуждения оказывается на­столько ослабленным, что синхронный генератор выпадает из синхронизма – нарушается магнитная связь между возбужден­ными полюсами ротора и вращающимся полем статора. Если со­единить все точки минимально допустимых значений тока возбу­ждения на U – образных характеристиках (штриховая линия в левой части рис. 98), то получим линию предела устойчивости рабо­ты синхронного генератора при недовозбуждении.

С точки зрения уменьшения потерь генератора наиболее вы­годным является возбуждение, соответствующее минимальному току статора, т. е. когда . Но в большинстве случаев на­грузка генератора имеет индуктивный характер и для компенсации индуктивных токов (отстающих по фазе от напряжения сети) при­ходится несколько перевозбуждать генератор, создавая условия, при которых ток статора , опережает по фазе напряжение сети . Следует отметить, что для сохранения , неизменным при изменениях активной нагрузки генератора требуется одновремен­ное изменение тока возбуждения генератора.

Лекция № 17

В соответствии с принципом обратимости элек­трических машин синхронная машина может рабо­тать не только в режиме генератора, но и в режиме двигателя, т. е. потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механическую.

Для объяснения принципа работы синхронного двигателя представим себе синхронный генератор, включенный на параллельную работу в сеть боль­шой мощности.

Допустим, приводной двигатель вращает ротор генератора против часовой стрелки с угловой скоро­стью . При этом нагрузка генератора такова, что продольная ось полюсов ротора смещена отно­сительно оси вращающегося поля на угол в направлении вращения ротора (рис. 99, справа). Вращающий момент приводного двигателя уравновешивается суммой электромагнитного мо­мента генератора и момента х.х. . На угловой характеристике этому режиму генератора соответствует точка Г.

Если уменьшать вращающий момент , то на­грузка генератора начнет также уменьшаться, при этом будет уменьшаться угол , а следовательно, и ток статора . В итоге снизится величина электро­магнитного момента и при вращающем моменте угол , т. е. генератор будет работать в режиме х.х. и ЭДС генератора окажется в противофазе с напряжением сети . Этому режиму на угловой характеристике соответствует точка пе­ресечения осей координат (точка О на рис. 99). Ес­ли же вал синхронной машины отсоединить от при­водного двигателя и создать на этом валу тор­мозной момент, т.е. момент нагрузки , на­правленный встречно вращению ротора машины, то произойдет смещение вектора ЭДС на угол – относительно его положения в режиме х.х. в сторону отставания (рис. 99, слева). При этом в цепи обмотки ста­тора появится результирующая ЭДС , которая соз­даст в обмотке статора ток , отстающий по фазе от ЭДС на угол 90° (предполагается ) и отстающий по фазе от напряже­ния сети на угол , (в генераторном режиме ток , отстает по фазе от ЭДС на угол ).

Рис. 99. Переход синхронной машины из генераторного режима в двигательный

Ток создает магнитное поле, вращающееся синхронно с ро­тором, ось которого смещена относительно продольной оси полюсов ротора на угол – . Допустим, работа двигателя происходит в режиме точки Д на угловой характеристике (рис. 99, слева), что соответствует углу – . Возникшие при этом тангенциальные составляющие сил магнитного взаимодействия полюсов создадут на роторе двигателя электромаг­нитный момент , направленный согласно с вращающим маг­нитным полем и приводящий ротор во вращение с синхронной частотой . При этом синхронная машина будет потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать ее в механиче­скую энергию вращения. Вращающий электромагнитный момент преодолевает момент х.х. и создает на валу двигателя по­лезный момент , под действием которого приводится во вра­щение исполнительный механизм:

.

Все значения момента на угловой характеристике синхронно­го двигателя откладываются в отрицательном направлении оси ординат, так как при переходе синхронной машины из генератор­ного режима в двигательный электромагнитный момент меняет свое направление. Также отрицательной становится мощность синхронного двигателя, которая поступает из сети в машину, а не из машины в сеть, как это происходит в генератор­ном режиме. Оперирова­ние с отрицательными значениями мощностей и моментов крайне неудоб­но, поэтому при рассмот­рении синхронных двига­телей условно будем при­нимать моменты и мощ­ности положительными, помня при этом изложен­ное ранее о направлении этих параметров.

Рис. 100. Угловая характеристика син­хронного двигателя

Электромагнитная мощность синхронного двигателя опре­деляется выражениями (21.7) и (21.8), а электромагнитный момент – (21.9) и (21.10).

Угловые характеристики электромагнитного момента и его составляющих и представлены на рис. 100. Эти характеристики отличаются от угловых характери­стик генератора (см. рис. 96) лишь тем, что располагаются в третьем квадранте осей координат, т. е. определяются отрицатель­ными значениями углов и моментов и , а также момента при .

Таким образом, в общем виде угловая характеристика син­хронной машины представляет собой две полуволны результи­рующего момента : положительную, соответствующую генера­торному режиму работы (см. рис. 96), и отрицательную, соответствующую двигательному режиму работы (рис. 100). Переход машины из одного режима работы в другой происходит при .

Устойчивая работа синхронного двигателя соответствует участку угловой характеристики (рис. 100) при .

Отношение максимального электромагнитного момента к номинальному [см. (21.16)] определяет перегрузочную спо­собность синхронного двигателя

.

Обычно перегрузочная способность синхронных двигателей , что при номинальной нагрузке двигателя соответствует эл. град.

Ротор синхронного двигателя может вращаться только с син­хронной частотой . Чтобы убедиться в этом, достаточ­но предположить, что ротор двигателя начнет вращаться с часто­той . В какой-то момент времени намагниченные полюсы ротора расположатся против одноименных полюсов вращающего­ся магнитного поля статора и тогда нарушится магнитная связь между намагниченными полюсами ротора и полюсами вращающе­гося поля статора, так как их одноименные полюсы будут взаимно отталкиваться и ротор, перестав испытывать устойчивое действие вращающего электромагнитного момента, остановится.

Вращение ротора синхронных двигателей только с синхрон­ной частотой составляет характерную особенность этих двигате­лей и часто определяет область их применения (например, для привода устройств, требующих стабильной частоты вращения).

При изменениях нагрузки на валу синхронного двигателя ме­няется угол . При этом ротор вследствие инерции вращающихся масс агрегата не сразу занимает положения, соответствующие но­вой нагрузке, а некоторое время совершает колебательные дви­жения. Таким образом, в синхронном двигателе, так же как и в генераторе, имеют место колебания.

По своей конструкции синхронные двигатели в принципе не отличаются от синхронных генераторов, но все же имеют некото­рые особенности. Их изготовляют преимущественно явнополюсными с полюсов; воздушный зазор делают меньшим, чем в генераторах такой же мощности, что способствует улучше­нию ряда параметров двигателя, в частности уменьшению пуско­вого тока; демпферную (успокоительную) обмотку выполняют стержнями большего сечения, так как при пуске двигателя она яв­ляется пусковой обмоткой; ширина полюсного нако­нечника достигает вместо в генераторах. Поэтому, не­смотря на свойство обратимости, синхронные машины, вы­пускаемые промышленностью, имеют обычно целевое назначение – либо это синхронные генераторы, либо синхронные двигатели.

U – образные характеристики. В процессе работы синхронно­го двигателя в его обмотке статора наводятся ЭДС, сумма которых [см. (20.29)] приблизительно равна подведенному к обмотке статора напряжению сети . Эта сумма ЭДС эквивалентна ре­зультирующему магнитному полю, вызванному действием двух магнитодвижущихся сил: возбуждения и статора .

При неизменном напряжении сети резуль­тирующее магнитное поле постоянно. Поэтому при изменении МДС возбуждения (изменении тока возбуждения ) МДС ста­тора изменяется таким образом, чтобы их совместное действие оставалось неизменным, т. е. чтобы оставалось неизменным ре­зультирующее магнитное поле синхронного двигателя. Это изме­нение МДС может происходить только за счет изменения вели­чины и фазы тока статора , т. е. за счет изменения реактивной составляющей тока статора .

Например, при увеличении тока возбуждения , начиная от наименьшего его значения возрастает МДС ротора, при этом МДС статора уменьшается. Это уменьшение МДС происхо­дит при уменьшении индуктивной (по отношению к напряжению сети ) составляющей тока статора , которая оказывает на маг­нитную систему подмагничивающее влияние.

При этом полный ток статора уменьшается, а ко­эффициент мощности двигателя , увеличивается. При неко­тором значении тока возбуждения индуктивная составляющая тока статора падает до нуля. При этом ток статора достигнет ми­нимального (при данной нагрузке) значения, так как станет чисто активным , а коэффициент мощности .

Увеличение тока возбуждения сверх значения , т. е. пере­возбуждение двигателя, вызовет увеличение тока , но те­перь этот ток будет опережающим (емкостным) по отношению к напряжению . Таким образом, при недовозбуждениисинхронный двигатель работает с отстающим током, а при пе-ревозбуждении – с опережающим. Зависимость тока статора от тока возбуждения для синхронного двигателя представлена U – образными характеристиками (рис. 103).

То есть, синхронный двигатель является генератором реактивного тока: индуктивного по отношению к напряжению сети при недовозбуждении и емкостного при перевозбуждении. Указанная способность синхронных двигателей является их цен­ным качеством, которое используют для повышения коэффициен­та мощности электрических установок.

Аналогично синхронному генератору, включенному на парал­лельную работу с сетью, синхронный двигатель имеет предел устойчивости при минимальном токе возбуждения (штри­ховая линия в левой части рис. 103).

Рабочие характеристики. Рабочие характеристики синхрон­ного двигателя представляют собой зависимость частоты враще­ния ротора , потребляемой мощности полезного момента , коэффициента мощности и тока в обмотке статора от по­лезной мощности двигателя (рис. 104). Частота вращения рото­ра всегда равна синхронной частоте , поэтому гра­фик имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс, Полезный момент на валу синхронного двигателя . Так как рабочие характеристики снимают при условии , то график имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Мощность на входе двигателя . С ростом нагрузки на валу двигателя увеличиваются также и потери поэтому потребляемая мощность растет быстрее полезной мощ­ности и график имеет несколько криволинейный вид.

Вид графика зависит от вида настройки тока возбуждения: если в режиме х.х. ток возбуждения установлен та­ким, что , то с ростом нагрузки коэффициент мощности снижается, если же установить при номинальной на­грузке, то при недогрузке двигатель будет забирать из сети реак­тивный опережающий ток, а при перегрузке – отстающий. Обыч­но устанавливают ток возбуждения таким, чтобы при средней нагрузке (рис. 22.6). В этом случае коэффициент мощно­сти во всем диапазоне нагрузок остается достаточно высоким. Ес­ли же установить ток в обмотке возбуждения синхронного двига­теля таким, чтобы был при нагрузке несколько превышающей номинальную, то при номинальной нагрузке и двигатель будет потреблять из сети опережающий по отношению к напряжению сети ток, что приведет к повышению коэффициента мощности этой сети. В этом отношении синхрон­ные двигатели выгодно отличаются от асинхронных, работающих с отстающим по фазе током (особенно при недогрузке двигателя) и снижающих энергетические показатели питающей сети.

Рис. 103. U – образные характери­стики Рис. 104. Рабочие характеристики

синхронного двигателя синхронного двигателя

Ток в обмотке статора двигателя . Из этого выражения видно, что ток с увеличением нагрузки на валу дви­гателя растет быстрее, чем потребляемая мощность , вследствие уменьшения .

Так как ротор синхронного двигателя вращается в ту же сторону, что и поле статора, то направление вращения ротора определяется порядком следования фаз линейных проводов, подведенных к обмотке статора, и порядком расположения фаз обмотки статора. Для изменения направления вращения трехфазного синхронного двигателя необходимо переключить два линейных привода, подведенных из сети к выводам обмотки статора.

В заключение необходимо отметить, что синхронные двигате­ли по сравнению с асинхронными имеют преимущество, заклю­чающееся в том, что они могут работать с , не создавая в питающей сети индуктивных токов, вызывающих дополнительные потери энергии. Более того, при работе с перевозбуждением син­хронные двигатели создают в сети емкостный ток, чем способст­вуют повышению коэффициента мощности энергосистемы в це­лом. Другое достоинство синхронных двигателей состоит в том, что, как это следует из (21.11), основная составляющая электро­магнитного момента пропорциональна напряжению сети , а у асинхронных двигателей электромагнитный момент пропорциона­лен [см. (13.14)]. По этой причине при понижении напряжения в сети синхронные двигатели сохраняют большую перегрузочную способность, чем асинхронные.

К недостаткам синхронных двигателей относятся их более сложная конструкция и повышенная стоимость по сравнению с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Кроме того, для работы синхронного двигателя требуется устройство для питания постоянным током обмотки возбуждения.

Опыт эксплуатации показал, что применение синхронных дви­гателей общего назначения наиболее целесообразно при мощности 200 кВт и более в установках, не требующих частых пусков и ре­гулирования частоты вращения (мощные насосы, вентиляторы, компрессоры и т. п.).

Контрольные вопросы

1. Чем ограничивается область устойчивой работы синхронного двигателя?

2. Объясните процесс пуска синхронного двигателя?

3. Как регулируется коэффициент мощности синхронного двигателя?

4. Каково назначение синхронного компенсатора?

5. Каковы достоинства и недостатки синхронных двигателей по сравнению с асинхронными?